我用哈勃看星空

2017年07月10日 06:48 南方日报

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宇航员在哈勃太空望远镜上执行任务。
?哈勃望远镜上的相机拍摄的一个巨大星团核心部分,数以十万计的恒星色彩纷呈。
NASA发布的未来美国航天器捕捉小行星表面巨石方案的模拟图片。
欧洲航天局发射的“罗塞塔”彗星探测器拍摄的“丘留莫夫-格拉西缅科”彗星。
NASA概念图显示的火星和木星轨道间的小行星带。
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6月30日是“国际小行星日”,很多“小行星猎手”依靠设置在地面的大口径天文望远镜或者大名鼎鼎的哈勃望运镜,目不转睛地盯着那些可能来地球的小行星的一举一动。近日,美国加州理工学院博士后叶泉志的团队成功申请到了哈勃望远镜的观测时间,他将密切跟踪在今年非常接近地球的小行星“法厄同”。

作为稀缺资源,天文望远镜的观测时间申请并不是那么容易。我国最大的望远镜之一——丽江2.4米望远镜和兴隆2.16米望远镜每年会征集观测申请,美国哈勃望远镜也向全球观测者开放。申请方案经评审通过后,观测者就可以根据自己的方案指挥望远镜指向那些遥远的太空目标。

为什么要去追寻那些遥远的星辰?因为它们就在那里,在我们头上深邃的太空中。本期南方特稿,为大家讲述这些“追星人”的故事。

●南方日报驻京记者

王腾腾

“法厄同”将擦肩而过

近地小行星和近地彗星统称近地天体,Near-Earth Object,天文学家将之简称为NEO。如果它们造访地球,带来的危害可能比UFO要大得多。值得注意的是第一颗近地天体是中国人在公元前240年观测到的。

截至2017年3月,人类已观测到1786颗“潜在威胁小行星”(PHA)。这一数字近几年增长很快,在2008年10月初,NASA的PHA名单上还只有982颗。

衡量近地天体撞击地球危险的指标有都灵指数和巴勒莫危险指数。以较简单的都灵指数为例,其使用0到10这11个整数代表危险程度,0代表其撞击地球的机会微乎其微可以视作为零,又或是在撞击地球前会在大气层摩擦燃烧殆尽;而10则代表该物体撞击地球的机会十分大,并足以造成全球性大灾难。

小行星撞地球不是天方夜谭,而是一直在发生的现实。仅1994年至2013年这20年间,记录到撞上地球的小行星就多达556颗,具体地点如图所示。黄点是在白天撞的,蓝点则是夜晚撞的,圆点大小表示撞击释放的能量。所幸这些小行星都不大,最近一次在我国境内发生的小行星撞击事件是2014年11月的锡林郭勒火流星事件,当时估计有1公斤左右的小行星残骸以陨石的方式落到了地面。

据NASA发布消息称,2017年4月19日,一颗直径约650米的近地小行星以近180万公里的距离“擦”过地球。这是自2004年直径约5公里的图塔蒂斯小行星以4倍地月距离飞掠地球以来最接近的一次。该机构解释说,下一次出现类似的事件要等到2027年,届时直径约800米的1999 AN10小行星将以一个地月距离飞过地球。

这种“擦肩而过”也为巡天遥望的天文学家们提供了绝佳的观测与研究小行星的机会。来自中国的“小行星猎手”、加州理工学院天文系博士后叶泉志的机会来了,他将与著名的“法厄同”小行星亲密接触。

流星雨一般来源于彗星,彗星喷出的尘埃形成它们的尾巴,若遇到地球就会造成流星雨。但三大流星雨之一的双子座流星雨却来源于一颗叫“法厄同”的小行星,其成因至今还不是很清楚。今年底“法厄同”会非常靠近地球,下一次这样的机会要等到2093年。

当然,所谓的亲密接触仍然要隔着从地球到月球的距离远20倍的空间,而接触的方式只有一种,那就是通过天文望远镜。

天文望远镜可以分为两类,地基和天基,即架设在地球上的以及架设在太空中的。“地基望远镜由于受到大气干扰,观测天体容易受影响。而架设在太空中的望远镜就不存在这个问题了。”负责中国科学院丽江天文台2.4米级天文望远镜观测申请的王建国说。

而目前为止最为著名的天基望远镜便是哈勃望远镜了。

幸运,申请到哈勃

发射升空27年来,哈勃望远镜为天文观测提供了大量的数据与照片。“一般地面望远镜很难做或做不了的项目都可以申请使用哈勃来做。因为哈勃没有大气层的干扰,所以观测效果比地面好得多。比如‘新视野’号探测器的下一个目标2014 MU69,用地面设备搜寻了十年也未找到,用哈勃只花了5分钟就找到了。”叶泉志说。

因此,此次难得的与“法厄同”小行星亲密接触的机会,叶泉志选择使用哈勃望远镜来实现。

在普通人看来,哈勃望远镜是那么的遥不可及。不过叶泉志说,成功拿到哈勃望远镜的观测时间本身并没有什么值得骄傲的,这只是天文学研究中很正常的一环。

“天文系本科的课程就有介绍如何申请使用哈勃以及其他望远镜。许多大型望远镜的使用都是开放的,虽然不一定像哈勃望远镜这样面向全球开放。我国最大的望远镜之一——丽江2.4米望远镜和兴隆2.16米望远镜每年也会征集观测申请。这只是行业内部的惯例,外人不清楚细节是很正常的。”叶泉志说。

虽然本科的时候叶泉志并不是学习天文,而是在中山大学学习大气科学,但是他早就是一名非常出众的天文爱好者。2007年3月,叶泉志不仅成为第一个获得了“苏梅克近地天体奖”的中国人,而且成为第一个获得该奖的亚洲人。他还应美国天文学会的邀请,代表中山大学前往波多黎各法哈多镇出席美国天文学会行星科学分会年会,并以海报的形式作了报告,还在顶级国际期刊发表了科研论文。

“主要是我的同事们给力,其中一位合作者许文韬是我的高中同学,也是老战友了,我们的运气也很不错。毕竟评审这个环节还是有很多变量的。一个研究小行星的提案和一个研究黑洞的提案,很难说哪个更好,但最后只有一个能过,过了的那位可以说运气很好,没过的那位再接再厉。”叶泉志说。

对于运气,负责丽江天文台2.4米级天文望远镜申请工作的王建国认为确实有那么一点,但最重要的应该是观测方案有很强的竞争力。

“以前如果想申请哈勃的观测时间是非常难的,现在哈勃已经超期服役多年,完成了很多重大观测项目,观测时间就相对富余一些,申请的难度降低了一些。但是,相比于其他的望远镜,仍然是非常困难的。”王建国表示,每一个大型的天文望远镜在建造的时候都要先经过立项,这时候就会有相应的观测任务。望远镜建造好之后,首先要满足的就是完成这些立项的时候就已经安排好的观测项目。

他们能用哈勃做些什么?

实际上,美国国家航空航天局和太空望远镜科学研究所会在其官方网站公布哈勃望远镜的观测时间申请事项。而且提到对包括教育机构、利润和非营利组织、美国宇航局中心和其他政府机构在内的所有组织都是开放的。

今年是其第25期征集观测申请,观测时间从2017年10月1日延长至2018年9月30日。

“4月初是申请截止时间,在此之前我们提交了申请提案,提案主要分两个部分,科学内涵以及技术可行性。准备过程主要就是查资料,做计算,和同事讨论。写文书,包括望远镜提案,科研论文等,其实就是我们工作的常态。”叶泉志说,提交了观测提案之后就是长达两个月的等待,从提交提案到结果下来大约两个半月,通知方式是电子邮件。其间没有其他的步骤,也不需要面谈等等。

实际上,这两个月的时间是由位于约翰霍普金斯大学的太空望远镜科学研究所召集专家审理观测提案。正如叶泉志所说,评审环节有很多变量,一个研究小行星的提案和一个研究黑洞的提案,很难说哪个更好,我们也无从得知太空望远镜科学研究所的专家是如何评审的。但是可以通过其他望远镜的观测提案评审来以管窥豹。

6月14日,中国科学院国家天文台发布了《中国科学院2米级光学天文望远镜观测时间申请通知》,称为了使丽江2.4米望远镜与兴隆2.16米望远镜在观测课题、观测仪器和观测季节等方面优势互补,丽江2.4米望远镜和兴隆2.16米望远镜观测时间(2017年9月1日—2018年6月30日)申请仍将合并受理,统一评审,观测时间协调分配。同一观测课题只需提交1份申请即可同时申请2台望远镜的观测时间。

“我们每年会在六七月份,首先向国内的各天文台,还有中科院的一些院所,比如像高能物理研究所,高校等机构发通知。望远镜的申请就是每年一次,届时系统会开放,用户可以提交观测申请。今年我们是到7月10号截止,过了之后就不能再提交了。”王建国说。

同样,在观测申请提交之后,望远镜的管理单位就会组织专家进行评审,主要评判的就是观测提案的科学意义和可行性,然后给它打分,打分的高低最终就决定了这个申请能不能拿到观测时间以及拿到时间的多少。

对于科学意义与可行性两项指标,王建国介绍说,评审委员会认为方案比较有价值,就会让它进入最终的名单,然后再进行评估,给一个合适的观测时间。如果没有很高科学价值的话,得分肯定不会太高,当然除了科学价值之外,还得有可行性,有些事情可能很有意义,但是国内的望远镜做不了,那也没法支持,那就要去申请国外的大口径望远镜或者天基望远镜。

在申请成功之后,望远镜是否就是归申请者使用了?“可以这么理解。但我们不会直接操纵哈勃。哈勃的控制由美国航天局戈达德飞行中心负责,我们负责提供我们要观测的目标、所用仪器以及曝光参数等等。”叶泉志说。

“望远镜肯定是管理单位来操作,不会让申请者来操作的。我们有专门的观测助手。这个观测时间段属于申请者,然后由他提出具体的观测目标等需求,我们的观测助手会来执行。比如要拍光谱,申请者有什么特殊的要求,可以马上提出来。”王建国介绍说。但是也有一些地区的小型地面天文望远镜,由于管理方人手不够,也会让申请者自行操作,当然,他们会对申请者进行相关的技能培训。

中国也发射了太空望远镜

中科院国家天文台发布的通知中注明,丽江2.4米望远镜观测时间的2/3用于河外(银河系)课题、1/3用于河内课题,以长周期时域天文学为主要科学目标,每个观测夜将有可能多人共享,申请者一般只能获得每夜约40%的时间。

兴隆2.16米望远镜观测时间的1/3用于河外课题、2/3用于河内课题,优先保证正在进行的重点课题观测,总体上大约有40%的时间供普通用户申请。

“大型望远镜的资源是非常稀缺的,所以每个观测者获得的时间也不一样,一般都是根据项目来定。有些项目可能会获得较长的时间,有些项目可能就一天或者几个小时。”王建国说。据他透露,2016年大概有100多名申请者提交了2.4米级天文望远镜的观测时间提案,最终只有50多份提案获得了通过。而对于其中要求较长观测时间的提案,评审也是非常严格,需要申请者做很详细的说明。“很多望远镜,包括国内的和国外的,它们的观测数据基本上在一年到一年半的时间内公布,由于数据量很大,也很丰富,可以供天文学研究者进行多维度的不同的研究需要。”

这还只是地面级的天文望远镜的观测时间申请,大名鼎鼎的哈勃望远镜申请就更加难了。虽然在观测时间上,哈勃望远镜由于不受天气等的影响,比地面级望远镜要多出很多,但毕竟哈勃就一个。

王建国表示,中国这边的科研组织或者个人申请哈勃望远镜的困难要更大。“当年建造哈勃望远镜的时候,我们中国既没有在科研上提供协助,也没有在资金上予以协助,所以这会影响我们申请的难度。它当然要优先保障出了资金以及提供了技术的组织的观测时间。”

哈勃望远镜于1990年4月24日在美国肯尼迪航天中心由“发现者”号航天飞机成功发射。迄今为止,它已经是完全的超期服役。在设计之初,哈勃望远镜实际上就受到了预算的掣肘。1974年,在裁减政府开支的鼓动下,杰拉尔德·福特剔除了所有进行空间望远镜的预算。为此,天文学家协调了全国性的游说努力。许多天文学家亲自前往拜会众议员和参议员,并且进行了大规模的信件和文字宣传。国家科学院出版的报告也强调空间望远镜的重要性,最后参议院决议恢复原先被国会删除的一半预算。

资金的缩减导致目标项目的减少,镜片的口径也由3米缩为2.4米,以降低成本和更有效与紧密的配置望远镜的硬件。原先计划做为先期测试,放置在卫星上的1.5米空间望远镜也被取消了,对预算表示关切的欧洲航天局成为共同合作的伙伴。欧洲航天局同意提供经费和一些望远镜上需要的仪器,比如作为动力来源的太阳能电池,回馈的是欧洲的天文学家可以使用不少于15%的望远镜观测时间。

但是后期研制过程中,哈勃望远镜的预算仍然严重超支。但是好在历经多年,以纪念在20世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家艾德温·哈勃而得名的哈勃望远镜还是顺利升空了,并且至今还在九天遨游。

对于成功申请了哈勃望远镜观测时间的叶泉志来说,实力之外,也是着实幸运。申请成功之后,叶泉志将拥有属于自己的时间去观测“法厄同”小行星,成为更加优秀的“小行星猎手”。

不久之前,中国成功发射了X射线望远镜卫星“慧眼”,成为中国科学家架设在太空的一枚天文望远镜,用来观测黑洞等天体。王建国表示,当这颗望远镜卫星的立项项目完成之后,也同样会接受相关的观测时间申请。

策划统筹:张志超

本版图片均据新华社

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